(高清版)GBT 43853-2024 激光修复层高温摩擦磨损性能试验 球-盘法

激光修复层高温摩擦磨损性能试验球-盘法2024-04-25发布国家标准化管理委员会I 12规范性引用文件 13术语和定义 14原理 25试验条件 26材料和试剂 27仪器设备 2 27.2体视显微镜 47.3放大镜 47.4测微显微镜 47.5接触式轮廓仪 58样品 58.1通用要求 58.2球试样 58.3盘试样 59试验程序 69.1试验前试样准备 69.2磨损试验准备 69.3摩擦力测量 69.4试验后的磨痕形貌观察 69.5球试样磨痕测量 69.6盘试样磨痕测量 79.7试验重复次数 810试验结果计算 810.1球试样的比磨损率 810.2盘试样的比磨损率 910.3摩擦系数 10.4数值修约 11试验报告 参考文献 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国机械工业联合会提出。本文件由全国激光修复技术标准化技术委员会(SAC/TC482)归口。本文件起草单位：沈阳大学、沈阳大陆激光技术有限公司、湖北工业大学、沈阳航空航天大学、沈阳工业大学、中国科学院金属研究所、中国机械总院集团沈阳铸造研究所有限公司、上海电机学院、上海交通大学、南昌航空大学、上海大陆天瑞激光表面工程有限公司、中国航发商用航空发动机有限责任公司、宝武装备智能科技有限公司、宝山钢铁股份有限公司、岳阳大陆激光技术有限公司、南京航空航天大学、西安陕鼓动力股份有限公司、泰安市质量技术检验检测研究院、吉林大学、国营川西机器厂、上海船舶工激光修复技术是一种先进的表面工程技术，在冶金、石化、电力和舰船等行业有广泛的应用。由于大量激光修复零部件服役工况为高温摩擦环境，如冶金领域的连铸设备、热连轧设备和动力设备等，因此激光修复层的高温摩擦磨损性能评价显得尤为重要。球-盘配置是一种最常规的高温摩擦磨损试验机型，广泛用于科学研究和产品性能评价。但是，由于没有相关标准可依，目前采用的高温摩擦磨损试验设备、试验程序、测试参数、试验结果处理等均不尽相同，往往导致不同人员获得的试验数据相差较大，难于比较。显然，这会给有关科学研究和工程开发人员带来极大混乱，甚至造成严重的工程误判。基于对大量高温摩擦工况应用的激光修复层(如铁、镍、钴基及其复合材料)的高温耐磨性及工程化应用研究，通过产学研合作，制定了本文件。主要目的是规范球-盘法测定激光修复层高温耐磨性的试验方法，指导企业研发人员正确地评价激光修复金属零部件的服役性能。由于激光修复层常为非均质结构(密度变化),且试验期间修复层不可避免地出现高温氧化、磨屑黏连等现象，本文件规定基于磨损体积而不是磨损质量的测量结果来表征耐磨性，以避免出现耐磨性试验数据相关性差的问题。依据本文件获得的试验结果可为评定激光修复金属零部件在高温摩擦条件下的服役安全提供数据支撑。本文件的制定，对推动激光修复企业技术创新和产品质量体系建立、促进我国激光修复技术的发展和工程化应用具有积极作用。IN1激光修复层高温摩擦磨损性能试验球-盘法1范围本文件描述了激光修复层高温摩擦磨损性能试验球-盘法的试验方法。本文件适用于35℃~1000℃的条件下，采用球-盘法测定激光修复层间或一种激光修复层与另一种其他材料间同轴滑动接触时产生的耐磨性和摩擦力的试验。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T678化学试剂乙醇(无水乙醇)GB/T686化学试剂丙酮GB/T6062产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法接触(触针)式仪器的标称特性GB/T8170数值修约规则与极限数值的表示和判定GB/T17754摩擦学术语GB/T19864.2体视显微镜第2部分：高性能体视显微镜GB/T20968无损检测目视检测辅助工具低倍放大镜的选用GB/T29037热喷涂抗高温腐蚀和氧化的保护涂层GB/T29795激光修复技术术语和定义3术语和定义GB/T17754和GB/T29795界定的以及下列术语和定义适用于本文件。激光修复层laserrepairingcoating采用激光修复技术，在损伤零部件表面形成的与基材呈冶金结合的表面覆层。磨损试验weartest评定滑动接触材料摩擦磨损性能的方法。比磨损率specificwearrate磨损对材料的去除率。注：用单位法向力F(N)和单位滑动距离L(m)的磨损体积V(mm³)表示，其关系式为：W、=V/(F×L),单位为立方毫米每牛顿米[mm³/(N·m)]。2在一定的高温气氛下，通过恒定载荷将一个球试样推到一个旋转圆盘试样上而产生滑动接触，经规定滑动距离或时间后，获得球和盘试样间的耐磨性和摩擦力。5试验条件5.1试验条件宜满足以下条件。a)施加载荷：典型载荷范围为5N～100N,载荷宜为50N。b)滑动速度：典型滑动速度范围为0.05m/s～0.5m/s,推荐速度是0.1m/s。滑动圆的直径宜为20mm或30mm,盘固定架的旋转速度由公式(1)确定：式中：n——旋转速度，单位为转每秒(r/s);v——滑动速度，单位为米每秒(m/s);R——滑动圆半径，单位为米(m)。c)滑动距离：典型滑动距离范围为180m～1800m,滑动距离宜为360m。d)试验温度：试验温度范围为35℃~1000℃,试验温度应与服役环境温度一致，在无法获得服役环境温度时，应与用户协商确定。e)试验气氛：大气，也可根据用户要求选择循环气体(如：惰性气体)。f)摩擦磨损试验机放置房间温度范围为10℃~35℃,相对湿度范围为20%～70%。5.2试验条件可根据试验过程的特殊需要进行更改。6材料和试剂6.1盘试样材料为激光修复层材料，球试样材料为金属材料或陶瓷材料。或其他无氯、不成膜的清洗剂和溶剂7仪器设备7.1球-盘法试验装置7.1.1.1将球-盘法摩擦磨损测试系统(见图1)置入可控的高温气氛中，即为球-盘型高温摩擦磨损测试系统。3标引说明：F——作用在球上的载荷；D——盘直径；N——盘转速。d——球直径；R——磨痕半径；图1球-盘型摩擦磨损测试系统示意图7.1.1.2球-盘型高温摩擦磨损试验系统(见图2)包括一个盘驱动轴和一个盘固定架，一个用来固定球试样的装置以及将球试样推到圆盘试样上的加载装置。另一种类型的试验系统是球围绕固定的盘中心旋转。在任何情况下，盘上的磨损轨迹都是一个圆，涉及同一轨迹上的多次磨损。该系统还包括驱动系统、摩擦力测量装置、加热装置、控制和显示系统，以及上述部件的辅助装置等。标引序号说明：1——施力杠杆；2——测温传感器；3——球试样；4——盘试样；5——盘固定架；9——球固定架；6——冷却水套；10——砝码托盘；8——施力杆；图2球-盘型高温摩擦磨损试验系统示意图47.1.2.1驱动系统包括驱动轴和电机，用于旋转盘试样的驱动系统能在产生的摩擦力影响下提供稳定的可控滑动速度。7.1.2.2驱动轴转速范围为60r/min～600r/min。驱动系统应配备转数计数器或类似的装置，转速精度应不超过±1%。7.1.2.3应配备水冷却循环装置对驱动轴进行持续降温，保证驱动轴正常运转。用于固定盘试样。盘固定架应在水平或垂直平面内旋转。转轴的同轴度应小于0.02mm,其轴向跳动应小于0.05mm。盘固定架宜为高温合金材料。用于固定球试样。在测试温度下，球固定架不应有变形，与球试样间不应有相对运动。球固定架宜为高温合金材料。用于将球试样推到盘试样上。加载装置应直接或通过杠杆、液压或气动系统对球固定架施加受控载荷。7.1.6摩擦力测量装置摩擦力通过测力传感器、板弹簧变形或转动扭矩等测量。测量不应影响摩擦条件。摩擦力测量的精度应不超过所加载荷的士1%。摩擦力测量数据使用数据记录器或其他记录设备记录。7.1.7.1用于快速加热并稳定试验气氛温度，加热炉内温度通过测温传感器测量，应符合：a)在试验温度不大于600℃时，温度允许偏差为±3℃;b)在试验温度大于600℃但不大于800℃时，温度允许偏差为±4℃;c)在试验温度大于800℃但不大于1000℃时，温度允许偏差为±5℃。7.1.7.2炉内空间应能容纳球、盘试样及其固定架、测温传感器。7.1.8控制和显示系统电气控制和显示系统应满足试验精度要求，界面应具有试验参数设置、数据采集、存储和显示功能。当到达预设滑动距离或试验时间后，系统应自动停止试验。7.2体视显微镜体视显微镜应符合GB/T19864.2的精度要求。7.3放大镜放大镜应符合GB/T20968规定的不小于4倍的放大倍数。7.4测微显微镜测微显微镜测量精度为0.01mm。57.5接触式轮廓仪接触式轮廓仪应符合GB/T涉轮廓仪。6062的精度要求。可采用精度更高的非接触式轮廓仪，如三维白光干8样品8.1通用要求8.1.1球和盘试样应能承受测试过程中施加的应力和温度，不应出现失效(如：过度弯曲、表面过度氧化)。8.2球试样8.2.1球试样可为球体或端部加工成球帽的销，球体或销的直径应不小于5mm,宜为6mm或8.2.2球试样的表面粗糙度Ra应不大于0.8μm。8.2.3当球试样为激光熔覆修复层材料时，修复层厚度应不小于2mm。8.3盘试样8.3.1典型的盘试样直径范围为30mm～100mm,厚度范围为3mm～10mm,其中激光熔覆修复层厚度不小于0.2mm。盘试样剖面图见图3。单位为毫米标引序号说明：1——激光修复层；2—-基材。图3激光修复盘试样剖面图8.3.2盘的表面应为平面，且上下两面的平行度公差应不大于0.02mm。8.3.3测试表面及下面基材的表面粗糙度Ra应不大于0.8μm。8.3.4基材表面氧化膜在试验条件下不应脱落。针对可能出现的基材表面氧化严重或氧化膜脱落的情况，试验前应按照GB/T29037的规定，在基材表面涂覆一层高温防护涂层。69试验程序9.1试验前试样准备用丙酮、无水乙醇或其他无氯、不成膜的清洗剂和溶剂(6.2)超声清洗试样至少10min,直至试样表面清洁。对试样进行彻底干燥，消除所有可能残留在试样上的清洗液。9.2磨损试验准备9.2.1将盘试样牢固地固定在盘固定架(7.1.3)上。9.2.2将球试样牢固地固定在球固定架(7.1.4)上。9.2.3设定试验条件(5.1)。9.2.4轻轻地使球和盘接触，然后施加设定的载荷。9.2.5启动加热装置(7.1.7),待试验气氛温度升至设定的温度，并在7.1.7要求的允许偏差范围内稳定9.2.6启动驱动系统(7.1.2),以设定的试验条件(9.2.3)旋转盘试样，开始试验。9.3摩擦力测量在试验过程中，使用摩擦力测量装置(7.1.6)连续测量摩擦力并记录测量数据。9.4试验后的磨痕形貌观察9.4.1经规定的滑动距离或时间后，关闭驱动系统电机电源、加热装置电源。待试验气氛降至室温9.4.2应收集盘试样上的磨屑，以便进一步分析。9.4.3对试样进行与9.1相同的清洗处理。9.4.4使用体视显微镜(7.2)或不小于4倍的放大镜(7.3)观察磨痕形貌特征。在可能情况下，用体视显微镜对磨痕形貌进行拍照。9.5球试样磨痕测量试验完成后，球试样上会有一个大致圆形的磨痕，如图4所示。用测微显微镜(7.4)测量最小直径A和与其垂直方向的直径B。7A——最小直径；B——垂直直径。图4球试样上的磨痕9.6盘试样磨痕测量试验完成后，盘试样上会出现一圆形磨损痕迹，如图5所示。使用接触式轮廓仪(7.5)或类似的仪器，以90°为间隔，在四个位置测量磨痕的横截面积，并计算磨痕在每个位置的横截面面积(S₁、S2、S₃、S₄)。图6为一个典型盘试样磨痕横截面轮廓，其磨损横截面积应为S。标引序号说明：R—-半径；8高度/μmGB/T43853—2024高度/μm标引序号说明：1——磨屑黏连；3——磨痕横截面轮廓；4——修复层；S——修复层磨痕横截面积。图6盘试样磨痕横截面轮廓及横截面选取9.7试验重复次数在相同的试验条件下，至少重复三次试验。10试验结果计算10.1球试样的比磨损率10.1.1磨损体积10.1.1.1磨痕比较规则时的磨损体积根据9.5测量的磨痕最小直径和与其垂直方向的磨痕直径，利用公式(2)计算球试样的磨损体积，式中：V,——球试样的磨损体积，单位为立方毫米(mm³);A——磨痕的最小直径，单位为毫米(mm);B——垂直于最小直径方向的直径，单位为毫米(mm);d——球试样直径，单位为毫米(mm)。10.1.1.2磨痕不规则或磨痕很小时的磨损体积当出现下列情况，应使用接触式轮廓仪(7.5)或类似仪器精确测量磨痕轮廓，得到磨痕的磨损体积。a)球磨痕形状因盘试样上的磨痕较大而发生翘曲(B>1.5A);b)球磨损很少，或者磨痕被任何磨损期间形成的固体膜所覆盖；c)球磨损量少且磨痕不平整。9GB/T43853—2024球试样的比磨损率由公式(2)中的V,或用轮廓测量法测量的V,通过公式(3)求得：式中：W.b——球试样的比磨损率，单位为立方毫米每牛顿米[mm³/(N·m)];V,——球试样的磨损体积，单位为立方毫米(mm³);F——施加的载荷，单位为牛顿(N);L——滑动距离，单位为米(m)。10.2盘试样的比磨损率10.2.1.1磨痕横截面相近时的磨损体积当9.6测量中的最大横截面积与最小横截面积之比不大于1.5时，采用公式(4),计算盘试样的磨损体积：……………式中：Va——盘试样的磨损体积，单位为立方毫米(mm³);R——磨痕半径，单位为毫米(mm);S₁、S₂、S₃、S,——磨痕圆上四个位置的横截面积，单位为平方毫米(mm²)。10.2.1.2磨痕横截面积相差较大时的磨损体积当9.6测量中的最大横截面积与最小横截面积之比大于1.5时，可根据磨痕宽度和/或深度，将磨痕分为n个区，分别测量第i区(i=1,2,…,n)内至少两个有代表性位置的磨痕横截面积S、S₂(第i区中最大横截面积与最小横截面积之比不大于1.2)和第i区内磨痕长度L;,取算术平均值，则： (5)式中：V₄——盘试样的磨损体积，单位为立方毫米(mm³);R——磨痕半径，单位为毫米(mm);S、S₂——磨痕圆上第i区中两个位置的横截面积，单位为平方毫米(mm²);L;——第i区内磨痕长度，单位为毫米(mm)。盘试样的比磨损率由公式(4)或公式(5)中的Va通过公式(6)求得：式中：W盘试样的比磨损率，单位为立方毫米每牛顿米[mm³/(N·m)]